Jak się chronić przed impulsami EMP/HEMP?

Zaburzenia elektromagnetyczne (Electromagnetic Interference, EMI) to niepożądane sygnały, które zakłócają pracę urządzeń elektrycznych. EMI ze względu na charakter przyczyny można podzielić na trzy grupy: zamierzone, niezamierzone i naturalne. Wszystkie są groźne dla elektroniki, a to w jakim stopniu zależy od ich mocy, częstotliwości, przebiegu w czasie i konstrukcji oraz poziomu zastosowanych w urządzeniu zabezpieczeń. Emisyjność i odporność na zaburzenia elektromagnetyczne, których źródłem są urządzenia regulują normy dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej. Obowiązują również zalecenia w zakresie ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi. Wprawdzie skutki obu typów zaburzeń w razie braku odpowiednich zabezpieczeń mogą być poważne, żadne z nich nie jest jednak w stanie wpłynąć na ciągłość działania infrastruktury krytycznej w takim stopniu, by spowodować problemy na skalę krajową, a tym bardziej o większym zasięgu.

Czym są EMP / HEMP i GMS / GMD?

W jej przypadku takie zagrożenie stanowią zaburzenia typu HPEM (high power electromagnetics), czyli wyładowania o dużej energii i krótkim czasie trwania. Wśród nich szczególnie niebezpieczne są impulsy elektromagnetyczne EMP (electromagnetic pulses) oraz jedna z ich podgrup.

Chodzi o impulsy typu HEMP (high altitude EMP). Ta kategoria obejmuje zaburzenia EMP, które powstały w wyniku zdetonowania bomby atomowej na bardzo dużej wysokości, od kilkudziesięciu do nawet kilkuset kilometrów nad powierzchnią Ziemi.

Ponadto w podobny sposób, jak impulsy EMP / HEMP destabilizująco na infrastrukturę krytyczną mogą oddziaływać naturalnie występujące zaburzenia elektromagnetyczne kształtujące pogodę kosmiczną. Zalicza się do nich: koronalne wyrzuty masy i burze geomagnetyczne / zaburzenia geomagnetyczne (geomagnetic storms / geomagnetic disturbances, GMS / GMD).

Jak powstaje impuls HEMP...

Jak już pisaliśmy wcześniej, impuls elektromagnetyczny typu HEMP powstaje na skutek eksplozji ładunku nuklearnego na dużej wysokości nad powierzchnią Ziemi. Wybuchowi towarzyszy emisja promieniowania gamma. Oddziałuje ono na cząsteczki rozrzedzonego powietrza w najwyższych warstwach atmosfery, wybijając z atomów elektrony i rozpędzając je do prędkości stanowiącej nawet około 90% prędkości światła. Ponieważ na wyższej wysokości gęstość powietrza jest mniejsza, te ujemne naładowane cząstki relatywistyczne mogą poruszać się swobodniej. To zwiększa intensywność oddziaływania promieniowania gamma.

 

Rys. 1. Przyczyną impulsu HEMP jest eksplozja atomowa na dużej wysokości nad powierzchnią Ziemi

Elektrony pod wpływem ziemskiego pola magnetycznego formują się w strumienie, wytwarzając przy tym silne promieniowanie elektromagnetyczne. Te natomiast destrukcyjnie oddziałuje na elektryczne i elektroniczne elementy infrastruktury i inne urządzenia na Ziemi (rys. 1).

… i jaki ma zasięg?

Zasięg oddziaływania impulsu elektromagnetycznego typu HEMP, w zależności od liczby bomb, siły ich ładunku i wysokości detonacji może obejmować ogromny obszar, o promieniu od setek do tysięcy kilometrów od epicentrum wybuchu atomowego, przechodzący przez terytoria wielu krajów oraz różne strefy czasowe. To sprawia, że zagrożenie nim, w zależności od miejsca detonacji, może się stać międzynarodowym problemem. Na przykład pojedyncza eksplozja nuklearna na wysokości 400 kilometrów nad stanem Kansas w Stanach Zjednoczonych mogłaby zdestabilizować większą część, jeżeli nie całość, amerykańskiej sieci energetycznej.

Przewidywany zasięg i skutki impulsu HEMP nie są oparte tylko na rozważaniach teoretycznych, dokonano bowiem eksperymentu, który je potwierdził. W latach 60. ubiegłego wieku został przeprowadzony test (Starfish Prime), który polegał na detonacji bomby termojądrowej nad Oceanem Spokojnym, na wysokości 400 kilometrów. W wyniku wybuchu powstał impuls elektromagnetyczny, który spowodował uszkodzenie urządzeń elektrycznych na Hawajach oddalonych od epicentrum eksplozji o około 1,5 tysięcy kilometrów. M.in. zgasło kilkaset lamp ulicznych, uszkodzona została linia telefoniczna między wyspami tego archipelagu, włączyły się alarmy samochodowe.

Skutki impulsu HEMP nie były odczuwalne wyłącznie na Ziemi. Awarii, w wyniku uszkodzenia paneli fotowoltaicznych przez sztucznie utworzony pas radiacyjny, uległo także kilka satelitów.

Składowe impulsu HEMP

W impulsie HEMP można wyróżnić kilka składowych. Różnią się one częstotliwością, energią i przebiegiem w czasie, od których to cech zależy ich oddziaływanie na urządzenia elektryczne i elektroniczne. Są to przede wszystkim trzy komponenty: E1, E2 oraz E3 (rys. 2).

Pierwszy z wymienionych impulsów jest bardzo krótki i bardzo szybki – czas narastania wynosi w jego przypadku 20 ns, a 50% wartości szczytowej osiąga w ciągu 500 ns. Natężenie pola elektrycznego składowej E1 sięga 50 kV/m, przy szczytowej gęstości mocy przekraczającej 6 MW/m². Może wywołać przepływ prądu o natężeniu sięgającym 2,5 kA.

 

Rys. 2. Impuls HEMP ma trzy składowe: E1, E2 i E3

Ze względu na jego parametry tradycyjne ochronniki odgromowe mogą okazać się nieskuteczne. Impuls E1 jest efektem wytrącenia elektronów z atomów przez promieniowanie gamma zaraz po wybuchu.

Impuls E2

Kolejna składowa, E2, przypomina nieco zaburzenie generowane w czasie bliskiego wyładowania atmosferycznego, chociaż ma mniejszą moc. Wartość szczytowa prądu sięga 250 A. Impuls E2 ma większą energią, niż składowa E1, lecz jest ona bardziej rozłożona w czasie. Częstotliwość wynosi 20 kHz – dla porównania w przypadku impulsu E1 mieści się w przedziale od 1 MHz do 300 MHz. Zaburzenia składowej E2 są tłumione w przewodach o długości krótszej niż 200 metrów.

Przyjmuje się, że wystarczające zabezpieczenie przed impulsem tego typu może stanowić ochrona odgromowa. Należy jednocześnie zauważyć, że w chwili jego wystąpienia może ona już nie być skuteczna, jeżeli odgromniki, jak i inne elementy zabezpieczające, wcześniej zostały zniszczone przez impuls E1 albo nie zdążyły się po nim zregenerować, aby zapewnić odpowiednią ochronę przed kolejnym zaburzeniem. Poza tym impuls E2, inaczej niż piorun, nie oddziałuje punktowo. Składowa E2 powstaje i trwa w przedziale czasowym od 1 μs 1 s po wybuchu, wtedy gdy emitowane są neutrony rozpraszające promieniowanie gamma.

Składowa E3

W porównaniu do komponentów E1 i E2, składowa E3 trwa dłużej – typowo od kilkudziesięciu do nawet kilkuset sekund i nie narasta tak szybko. Powstaje na skutek odpowiedzi ziemskiego pola magnetycznego na zaburzenie o dużej energii spowodowane wybuchem jądrowym. Impuls E3 bywa porównywany do bardzo silnej burzy geomagnetycznej, podobnie jak to zjawisko może bowiem indukować w długich przewodach prąd o bardzo dużym natężeniu. Dlatego na jego oddziaływanie narażone są przede wszystkim linie energetyczne (w tym podziemne).

Jak wynika z powyższego opisu impuls HEMP stanowi poważne zagrożenie przede wszystkim ze względu na swoją złożoność – zawiera składowe o dużej energii i krótkim czasie trwania, które powodują powstawanie EMI ze składowymi wysokoczęstotliwościowymi, na które wrażliwsze są urządzenia elektroniczne, jak i komponenty, w których energia EMI jest rozłożona w czasie, przez co są one groźniejsze dla większych systemów oraz instalacji elektrycznych. Przez to ochrona przed impulsami HEMP, aby była skuteczna, powinna być kompleksowa.

Ochrona przed impulsami HEMP

Normy w zakresie zabezpieczeń przed impulsami typu EMP / HEMP, które do tej pory zostały opracowane dotyczą przede wszystkim sprzętu i instalacji wojskowych, lotniczych, kosmicznych oraz rządowych. W związku z tym jednak, że we współczesnym cyfrowym oraz skomunikowanym świecie granice między różnymi dziedzinami życia zacierają się, wyżej wymienione specjalistyczne systemy w coraz większym stopniu zależą też od urządzeń komercyjnych i systemów cywilnych.

Przewidując związane z tym zagrożenia oraz uznając za realną możliwość ich destabilizacji albo destrukcji przez impulsy EMP / HEMP, nie tylko te naturalne, ale również intencjonalne, różne organizacje rządowe oraz standaryzacyjne opracowują strategie ochrony, reagowania i przywracania stanu sprzed wystąpienia tego typu zaburzenia. Jedną z nich jest Departament Bezpieczeństwa Krajowego Stanów Zjednoczonych.

W dokumencie przygotowanym przez ten urząd przewidziano cztery poziomy bezpieczeństwa. Ich klasyfikacji dokonano na podstawie kosztów zabezpieczenia oraz czasu, przez który dopuszczalne jest niedziałanie urządzeń, systemów albo obiektów w razie zakłócenia ich pracy lub wyłączenia w wyniku oddziaływania na nie silnego impulsu elektromagnetycznego.

Pierwszy poziom bezpieczeństwa

Pierwszy poziom bezpieczeństwa przewiduje procedury tanie w realizacji i mające zastosowanie do urządzeń, systemów oraz obiektów o znaczeniu niekrytycznym. Dla złagodzenia skutków impulsów EMP / HEMP zalecane jest przełączenie zasilania, komunikacji, transmisji danych na zapasowe. W tym celu należy zaopatrzyć się w zasilanie awaryjne, na przykład generatory z zapasem paliwa na co najmniej tydzień albo panele fotowoltaiczne.

W zakresie łączności i transmisji danych powinno się z kolei skorzystać z usług serwisów Wireless Priority Service, Government Emergency Telecommunications Service, SHAred RESources High Frequency Radio Program albo Telecommunications Service Priority. Zostały one zorganizowane przez rząd Stanów Zjednoczonych na wypadek właśnie takich sytuacji ekstremalnych, w których tradycyjne środki łączności zawodzą.

Poza tym sprzęty, których nie można przełączyć na zapasowe zasilanie i łączność należy odłączyć od ogólnodostępnej sieci energetycznej oraz komunikacyjnej, o ile jest to możliwe. Elektroniczne części zapasowe trzeba zaekranować, na przykład owijając folią aluminiową. Powinno się także korzystać z podstawowej ochrony odgromowej linii zasilania, antenowych i danych.

Jak zapewnić drugi i trzeci poziom bezpieczeństwa?

Wytyczne dla drugiego poziomu bezpieczeństwa powinny być spełnione jako uzupełnienie tych dla pierwszego, w odniesieniu do urządzeń, systemów i obiektów, w przypadku których niedziałanie z powodu wystąpienia impulsów EMP / HEMP dopuszczalne jest maksymalnie przez kilka godzin. Zalecane jest na przykład: zabezpieczenie linii zasilania, antenowych oraz danych ochronnikami o parametrach zadziałania wystarczających do zablokowania zaburzeń elektromagnetycznych EMP / HEMP, korzystanie z zasilaczy UPS zabezpieczonych przed nimi i światłowodów, a co najmniej z kabli ekranowanych. Jeśli natomiast chodzi o ciągłość łączności warto wykupić usługi operatorów systemów satelitarnych działających na orbicie geostacjonarnej, jak na przykład w sieci Broadband Global Area Network (BGAN).

Na poziomie trzecim dezaktywacja urządzeń, systemów, obiektów jest dopuszczalna wyłącznie przez kilka minut. Dlatego, w uzupełnieniu do środków zalecanych na poziomie drugim, w tym przypadku wymagania dodatkowe to: przestrzeganie standardów ochrony przed impulsami EMP / HEMP IEC zebranych w normie IEC SC 77C, zapewnienie skuteczności ekranowania powyżej 30 dB (10 GHz), ekranowanie urządzeń, szaf, pomieszczeń, w których znajdują się sprzęty o znaczeniu krytycznym (m.in. centrów danych, centrów łączności, podstacji zasilających, centrów sterowania), zastosowanie zalecanej ochrony kabli energetycznych w tym podziemnych (podmorskich) przed składową impulsu E3, korzystanie tylko ze sprzętu oraz ochronników przetestowanych pod kątem odporności na zaburzenia EMP / HEMP, korzystanie z łączności za pośrednictwem satelitów, które pracują w pasmach X, Ka, Ku.

Czwarty poziom bezpieczeństwa

Infrastruktura krytyczna, w przypadku której dopuszczalna przerwa w działaniu nie może trwać dłużej niż kilka sekund, wymaga spełnienia kryteriów czwartego, czyli najwyższego poziomu bezpieczeństwa. W tym celu należy: przestrzegać standardów ochrony przed impulsami EMP / HEMP obowiązujących w wojsku – przykładami takich są: MIL-STD-188-125-1 i MILHDBK- 423, zapewnić skuteczność ekranowania powyżej 80 dB (10 GHz), ekranować szafy, pomieszczenia oraz budynki (w tym zabezpieczyć przed impulsem EMP / HEMP wejścia), w których znajduje się sprzęt o znaczeniu krytycznym, testy zabezpieczeń przeprowadzać zgodnie z wytycznymi, które obowiązują w wojsku, dysponować zapasem paliwa i energii wystarczająwystarczającym do przetrwania 30 dni, a dodatkowo możliwością skorzystania ze źródeł alternatywnych, najlepiej odnawialnych, zastosować podwójne ochronniki na zewnętrznych liniach zasilania, antenowych oraz danych doprowadzanych do obszarów zabezpieczonych przed impulsami EMP / HEMP na poziomie czwartym oraz korzystać z kanałów komunikacyjnych spełniających standardy wojskowe, przykładowo za pośrednictwem satelitów AEHF (Advanced Extremely High Frequency).

 

Rys. 3. Prosty i złożony filtr sieciowy

Jak wynika z powyższej klasyfikacji, poza kwestiami organizacyjnymi, takimi jak zapewnienie zapasowego zasilania i alternatywnych kanałów łączności, wyróżnić można dwa podstawowe sposoby na zabezpieczenie urządzeń i systemów elektronicznych oraz elektrycznych. Są to: ekranowanie i ochronniki, których zadaniem jest tłumienie prądów, które są indukowane przez impuls elektromagnetyczny w okablowaniu podłączonym do urządzeń, systemów oraz obiektów o znaczeniu krytycznym. Te drugie to specjalne filtry EMP / HEMP.

Filtry EMP / HEMP

Należy zaznaczyć, że nie są to "zwykle" filtry EMI / EMC, które są powszechnie wykorzystywane do zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej. Chociaż częściowo mogą one ograniczyć zaburzenia typu EMP / HEMP, o czym pisaliśmy wyżej, generalnie jednak nie mogą skutecznie zadziałać w przypadku zaburzeń o energii, częstotliwości oraz przebiegu czasowym takich, jakie charakteryzują składowe E1, E2 oraz E3 impulsów EMP / HEMP, nie zapewniając ich tłumienia na poziomie wymaganym w wyżej wymienionych normach, na przykład MIL-STD-188-125.

W dokumencie tym nie podano wprawdzie konkretnej wartości tłumienia, ale za to określono wymogi, jeżeli chodzi o najwyższe dopuszczalne wartości prądu, szybkość zmian jego natężenia i jego sumy w jednostce czasu na wyjściu filtru po podaniu na jego wejście impulsów testowych. By je spełnić filtr EMP / HEMP powinien zapewnić tłumienie na poziomie 20 dB dla częstotliwości od 10 kHz i 80 dB w zakresie od 10 MHz do 1 GHz.

Filtr EMP / HEMP w czasie normalnej pracy powinien się charakteryzować wysoką impedancją, dzięki której nie wpływa na pracę chronionych obwodów. W momencie wystąpienia zaburzenia, po przekroczeniu napięcia zadziałania ochronnika, jego impedancja maleje. W rezultacie komponenty filtru zwierają zaburzenie, absorbując jego energią. Dopóki napięcie nie spadnie poniżej progu przełączenia, niebezpieczny impuls jest tłumiony.

Poziom tłumienia wymagany w filtrach EMP / HEMP można uzyskać dzięki warystorom z tlenków metali MOV (Metal Oxide Varistor). Są to elementy o nieliniowej charakterystyce rezystancji, co oznacza, że przy niskim napięciu mają dużą rezystancję, a gdy przekroczy ono pewną wartość progową, specyficzną dla danego rodzaju warystora, ich rezystancja szybko maleje. Co więcej, ponieważ rezystancja upływu warystorów MOV maleje w funkcji częstotliwości, przy wyższych częstotliwościach uzyskać można większe tłumienie.

Monika Jaworowska